KR102653332B1 - Transition metals doped rhenium selenide nanosheet having enhanced catalytic activity on hydrogen evolution reaction and preparation method thereof - Google Patents

Transition metals doped rhenium selenide nanosheet having enhanced catalytic activity on hydrogen evolution reaction and preparation method thereof Download PDF

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Abstract

본 발명은 우수한 수소발생반응 (Hydrogen evolution reaction, HER) 활성을 갖는 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to rhenium selenide nanosheets doped with a transition metal having excellent hydrogen evolution reaction (HER) activity and a method of manufacturing the same.

Description

우수한 수소발생반응 활성을 갖는 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트 및 이의 제조방법{Transition metals doped rhenium selenide nanosheet having enhanced catalytic activity on hydrogen evolution reaction and preparation method thereof}Transition metal doped rhenium selenide nanosheet having enhanced catalytic activity on hydrogen evolution reaction and preparation method thereof}

본 발명은 우수한 수소발생반응(Hydrogen evolution reaction, HER) 활성을 갖는 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to rhenium selenide nanosheets doped with a transition metal having excellent hydrogen evolution reaction (HER) activity and a method of manufacturing the same.

화석 연료의 급격히 증가하는 소모로 인해 발생되는 자원 고갈 및 지구온난화, 대기 오염 등의 심각한 환경 파괴를 극복하기 위해서 차세대 대체 에너지원을 찾아야 하며, 이는 현시대의 인류가 반드시 해결해야 할 가장 큰 과제이다. 수소 에너지는 공기 중에서 깨끗하게 연소되어 환경 친화적이다. 또한 지역 편재적이지도 않아 앞서 언급된 차세대 에너지로 적합한 에너지이다. 지구상에서 가장 풍부하고 공해가 전혀 발생하지 않는 태양에너지로 물을 분해하는 방법은 가장 친환경적이고 경제적인 수소 생산법으로 평가되고 있다. 현재 주로 수소 생산에 사용되고 있는 개질 반응은 천연가스나 석유 등을 이용하므로 한계가 있지만 물은 풍부한 자원이다. 따라서 물분해를 통한 수소 생산이 장기적으로 보았을 때 가장 적합한 방법이라 할 수 있다. In order to overcome serious environmental damage such as resource depletion, global warming, and air pollution caused by the rapidly increasing consumption of fossil fuels, we must find alternative energy sources for the next generation, and this is the biggest challenge that modern humanity must solve. Hydrogen energy burns cleanly in the air and is environmentally friendly. In addition, it is not ubiquitous in the region, making it suitable as the next-generation energy mentioned above. The method of decomposing water using solar energy, which is the most abundant on Earth and produces no pollution, is evaluated as the most environmentally friendly and economical hydrogen production method. The reforming reaction currently mainly used to produce hydrogen has limitations because it uses natural gas or oil, but water is an abundant resource. Therefore, hydrogen production through water decomposition can be said to be the most appropriate method in the long term.

물 전기분해는 전기를 가해주었을 때 물이 수소와 산소로 분해되는 반응을 말한다. 즉, 전극물질에 전압을 가해주었을 때 전기화학적으로 산화 환원 반응이 일어난다. 이 때 산화전극에서는 산소가, 환원전극에서는 수소가 발생한다. 물을 분해하여 수소와 산소를 생성시키는 과정은 큰 자유에너지의 증가로 인한 흡열반응이며 비자발적인 반응에 해당한다. 따라서, 물 분해 반응을 진행하기 위해서는 1.23V에 해당하는 전위를 외부적으로 걸어주어야 하는데, 실제로는 전극 촉매에 따라 이상적인 전위보다 더 많은 과전압이 걸린다. 물 전기분해는 수소를 생산할 수 있는 가장 간단한 방법이기도 하면서 물을 원료로 사용하기 때문에 대량생산의 용이성과 고순도의 수소를 얻을 수 있다. 하지만 물 전기분해에 의해 수소를 생산할 경우 전력소모량이 많아질 수 있기 때문에, 실용화되기 어려운 한계를 가지고 있다. 이를 위해 물 전기분해를 통한 수소생산의 효율성을 높이는 시스템의 개발과 수소발생에 대한 활성이 높은 전극촉매 제조기술 연구가 필요한 실정이다. 물 전기분해에서 성능을 결정하는 가장 대표적인 것은 전극촉매이고, 촉매를 통해 수소가 발생되는 현상을 수소발생반응 (Hydrogen Evolution Reaction, HER) 이라 한다. 전극물질과 표면상태에 따라 필요한 전압과 성능이 결정된다. 전극표면에서의 가역적인 전기화학적 반응은 다음과 같다.Water electrolysis refers to a reaction in which water is decomposed into hydrogen and oxygen when electricity is applied. In other words, when voltage is applied to the electrode material, an electrochemical redox reaction occurs. At this time, oxygen is generated at the anode and hydrogen is generated at the cathode. The process of decomposing water to produce hydrogen and oxygen is an endothermic reaction due to a large increase in free energy and is an involuntary reaction. Therefore, in order to proceed with the water decomposition reaction, a potential equivalent to 1.23 V must be applied externally, but in reality, depending on the electrode catalyst, more overvoltage than the ideal potential is applied. Water electrolysis is the simplest method to produce hydrogen, and because it uses water as a raw material, it is easy to mass-produce and obtain high-purity hydrogen. However, producing hydrogen through water electrolysis may result in increased power consumption, making it difficult to put into practical use. To this end, the development of a system that increases the efficiency of hydrogen production through water electrolysis and the research on manufacturing technology for electrode catalysts with high activity for hydrogen generation are necessary. The most representative thing that determines performance in water electrolysis is the electrode catalyst, and the phenomenon in which hydrogen is generated through the catalyst is called Hydrogen Evolution Reaction (HER). The required voltage and performance are determined by the electrode material and surface condition. The reversible electrochemical reaction at the electrode surface is as follows.

H+(aq) + e- → 1/2H2(g), E° = 0V vs. SHEH + (aq) + e- → 1/2H 2 (g), E° = 0V vs. SHE

수소환원전극을 기준으로 하였을 때, 전압이 0V 일 때 수소가 발생한다. 전극 표면에서 수소가 발생할 때 세 가지 메커니즘(mechanism)을 통해 일어난다. 기본적으로 수소이온이 환원되어 수소원자형태로 전극 표면에 흡착한다 (Volmer 반응). 여기서 두 가지 경로로 나눠지게 되는데 흡착된 수소원자와 용액의 수소이온이 결합하거나 (Heyrowsky 반응) 흡착된 수소원자들끼리의 결합 (Tafel 반응)에 의해 수소가 발생한다. 또한 타펠 기울기( Tafel slope)는 수소발생반응의 메커니즘을 규명하기 위한 값으로 활용된다. 수소 촉매 활성에 영향을 주는 인자와 관련된 식은 다음과 같다.Based on the hydrogen reduction electrode, hydrogen is generated when the voltage is 0V. When hydrogen is generated on the electrode surface, it occurs through three mechanisms. Basically, hydrogen ions are reduced and adsorbed on the electrode surface in the form of hydrogen atoms (Volmer reaction). Here, it is divided into two paths: hydrogen is generated by combining the adsorbed hydrogen atoms with hydrogen ions in the solution (Heyrowsky reaction) or by combining the adsorbed hydrogen atoms (Tafel reaction). Additionally, Tafel slope is used as a value to identify the mechanism of the hydrogen generation reaction. The equations related to factors affecting hydrogen catalyst activity are as follows.

η = b log(j/j o)η = b log( j/j o )

상기 식에서 η: 과전압, b: 타펠 기울기, j: 전류밀도 (current density), jo: 교환 전류밀도 (exchange current density)를 의미하며, 이에 근거하여 이상적인 수소 촉매는 낮은 타펠 기울기와 높은 교환 전류밀도를 가진다.In the above equation, η: overvoltage, b: Tafel slope, j: current density, j o : exchange current density. Based on this, an ideal hydrogen catalyst has a low Tafel slope and high exchange current density. has

촉매 활성에 가장 큰 영향을 주는 인자는 과전압이다. 과전압은 전하전달반응이 일어나는데 가장 크게 기여를 하는 인자이며, 촉매 활성화에 있어 에너지 벽 (energy barrier)을 극복하는 속도 및 여부에 따라 과전압 값이 좌지우지된다. 촉매 활성화가 좋을수록 과전압 값은 감소한다. 상용화된 백금 전극 같은 경우에는 수소가 발생할 때의 전압이 거의 0V에 가깝다. 하지만 백금 전극의 단점을 보완하면서 과전압을 백금 전극만큼 최소화하려는 수소 촉매 연구가 진행되고 있다. 수소촉매개발을 충족시켜주기 위해서는 백금의 단점을 보완할 수 있는 저비용과 풍부함의 장점을 가지고 있는 물질이어야 하고, 백금을 대체할 수 있을 만한 좋은 촉매활성을 가지고 있어야 한다.The factor that has the greatest impact on catalyst activity is overvoltage. Overvoltage is the factor that most significantly contributes to the charge transfer reaction, and the overvoltage value is determined by the speed and whether or not the energy barrier is overcome in catalyst activation. The better the catalyst activation, the lower the overvoltage value. In the case of commercialized platinum electrodes, the voltage when hydrogen is generated is close to 0V. However, hydrogen catalyst research is underway to compensate for the shortcomings of platinum electrodes and minimize overvoltage as much as platinum electrodes. In order to meet the needs of hydrogen catalyst development, it must be a material that has the advantages of low cost and abundance that can compensate for the shortcomings of platinum, and must have good catalytic activity that can replace platinum.

KRKR 10-1495755 10-1495755 B1B1

이에 본 발명자들은 고가의 귀금속 수소발생반응 촉매인 백금(Pt) 대체할 수 있는 저렴한 나노소재 촉매를 개발하기 위해 예의 노력한 결과, 용매열 합성 (solvothermal synthesis)을 이용하여 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트를 제조하는 경우, 우수한 HER 성능을 가짐을 확인한 후, 본 발명을 완성하기에 이르렀다. Accordingly, the present inventors made diligent efforts to develop an inexpensive nanomaterial catalyst that can replace platinum (Pt), an expensive noble metal hydrogen generation reaction catalyst, and as a result, transition metal-doped rhenium selenium was obtained using solvothermal synthesis. When manufacturing naked nanosheets, it was confirmed that they had excellent HER performance, and the present invention was completed.

본 발명은 우수한 수소발생반응 (Hydrogen evolution reaction, HER) 활성을 갖는 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트를 제공하는 것을 목적으로 한다. The purpose of the present invention is to provide rhenium selenide nanosheets doped with a transition metal having excellent hydrogen evolution reaction (HER) activity.

본 발명은 또한 상기 우수한 수소발생반응 활성을 갖는 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a method for producing rhenium selenide nanosheets doped with a transition metal having excellent hydrogen evolution activity.

상기 목적을 달성하기 위하여, In order to achieve the above purpose,

본 발명은This invention

우수한 수소발생반응 활성을 갖는 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트를 제공하고자 한다. The aim is to provide rhenium selenide nanosheets doped with a transition metal having excellent hydrogen evolution activity.

본 발명에 따른 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트에 있어서, 상기 전이금속은 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu) 또는 망간(Mn), 바람직하기는 니켈(Ni) 또는 코발트(Co), 더욱 바람직하기는 니켈(Ni)인 것을 특징으로 한다. In the rhenium selenide nanosheet doped with a transition metal according to the present invention, the transition metal is nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), copper (Cu), or manganese (Mn), preferably nickel. (Ni) or cobalt (Co), more preferably nickel (Ni).

본 발명에 따른 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트에 있어서, 상기 전이금속의 도핑 농도는 레늄을 기준으로 5%인 것을 특징으로 한다. In the transition metal-doped rhenium selenide nanosheet according to the present invention, the doping concentration of the transition metal is 5% based on rhenium.

본 발명에 따른 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트에 있어서, 상기 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트의 HER 성능 (10 mAcm-2)은 100 mV 이하인 것을 특징으로 한다. 예를 들면, 상기 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트의 HER 성능 (10 mAcm-2)은 100 mV 이하, 바람직하기는 90 mV 이하, 더욱 바람직하기는 85 mV 이하일 수 있다. In the transition metal doped rhenium selenide nanosheet according to the present invention, the HER performance (10 mAcm -2 ) of the transition metal doped rhenium selenide nanosheet is 100 mV or less. For example, the HER performance (10 mAcm -2 ) of the transition metal-doped rhenium selenide nanosheet may be 100 mV or less, preferably 90 mV or less, and more preferably 85 mV or less.

본 발명에 따른 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트에 있어서, 상기 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트의 타펠 기울기는 70 mV/dec 이하인 것을 특징으로 한다. 예를 들면, 상기 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트의 타펠 기울기는 70 mV/dec 이하, 바람직하기는 65 mV/dec 이하, 더욱 바람직하기는 60 mV/dec 이하일 수 있다. In the transition metal-doped rhenium selenide nanosheet according to the present invention, the Tafel slope of the transition metal-doped rhenium selenide nanosheet is 70 mV/dec or less. For example, the Tafel slope of the transition metal-doped rhenium selenide nanosheet may be 70 mV/dec or less, preferably 65 mV/dec or less, and more preferably 60 mV/dec or less.

본 발명은 또한The present invention also

(A) NH4ReO4, (PhCH2)2Se2, TM (Transition metal) 아세틸아세토네이트를 올레일아민 (C18H35NH2, OAm)에 첨가하여 교반하는 단계; 및(A) adding NH 4 ReO 4 , (PhCH 2 ) 2 Se 2 , TM (Transition metal) acetylacetonate to oleylamine (C 18 H 35 NH 2 , OAm) and stirring; and

(B) 상기 교반된 용액을 용매열합성법 (solvothermal process)을 진행하여 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트를 제조하는 단계를 포함하는 포함하는 용매열 합성 (solvothermal synthesis)을 이용한 우수한 수소발생반응 활성을 갖는 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트의 제조 방법을 제공하고자 한다. (B) An excellent hydrogen generation reaction using solvothermal synthesis, which includes the step of subjecting the stirred solution to a solvothermal process to produce rhenium selenide nanosheets doped with a transition metal. The present invention seeks to provide a method for producing rhenium selenide nanosheets doped with an active transition metal.

본 발명에 따른 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트의 제조방법에 있어서, 상기 전이금속은 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu) 또는 망간(Mn), 바람직하기는 니켈(Ni) 또는 코발트(Co), 더욱 바람직하기는 니켈(Ni)인 것을 특징으로 한다. In the method for producing rhenium selenide nanosheets doped with a transition metal according to the present invention, the transition metal is nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), copper (Cu), or manganese (Mn), preferably The following is characterized by nickel (Ni) or cobalt (Co), more preferably nickel (Ni).

본 발명에 따른 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트의 제조방법에 있어서, 상기 전이금속의 도핑 농도는 레늄을 기준으로 5%인 것을 특징으로 한다. In the method for producing a rhenium selenide nanosheet doped with a transition metal according to the present invention, the doping concentration of the transition metal is 5% based on rhenium.

본 발명에 따른 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트의 제조방법에 있어서, 상기 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트의 HER 성능 (10 mAcm-2)은 100 mV 이하인 것을 특징으로 한다. 예를 들면, 상기 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트의 HER 성능 (10 mAcm-2)은 100 mV 이하, 바람직하기는 90 mV 이하, 더욱 바람직하기는 85 mV 이하일 수 있다. In the method for producing a transition metal doped rhenium selenide nanosheet according to the present invention, the HER performance (10 mAcm -2 ) of the transition metal doped rhenium selenide nanosheet is 100 mV or less. For example, the HER performance (10 mAcm -2 ) of the transition metal-doped rhenium selenide nanosheet may be 100 mV or less, preferably 90 mV or less, and more preferably 85 mV or less.

본 발명에 따른 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트의 제조방법에 있어서, 상기 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트의 타펠 기울기는 70 mV/dec 이하인 것을 특징으로 한다. 예를 들면, 상기 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트의 타펠 기울기는 70 mV/dec 이하, 바람직하기는 65 mV/dec 이하, 더욱 바람직하기는 60 mV/dec 이하일 수 있다.In the method for producing a transition metal-doped rhenium selenide nanosheet according to the present invention, the Tafel slope of the transition metal-doped rhenium selenide nanosheet is 70 mV/dec or less. For example, the Tafel slope of the transition metal-doped rhenium selenide nanosheet may be 70 mV/dec or less, preferably 65 mV/dec or less, and more preferably 60 mV/dec or less.

본 발명에 따른 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트는 우수한 수소 발생 활성을 가지며 종래의 백금 촉매보다 저렴하고 간단한 방법으로 수소발생반응용 촉매를 제공할 수 있다.The transition metal-doped rhenium selenide nanosheet according to the present invention has excellent hydrogen generation activity and can provide a catalyst for hydrogen generation reaction in a cheaper and simpler method than a conventional platinum catalyst.

도 1(a)는 NH4ReO4, (PhCH2)2Se2, TM 아세틸아세토네이트 (TM (acac)2 또는 3) 및 시약으로서 올레일아민 (OAm)을 사용하여 용매열 합성을 이용한 TM-도핑된 ReSe2의 합성 방법에 대한 모식도를 나타낸다. 도 1(b)는 ReSe2 HRTEM 이미지를 나타낸다. 도 1(c)는 격자 분해 TEM 및 기저면에 대한 해당 고속 푸리에 변환 (FFT) 이미지를 나타낸다. 도 1(d)는 Re (M 쉘), Mn 또는 Ni (K 쉘) 및 Se (L 쉘)의 HAADF-STEM 이미지 및 EDX 원소 매핑/스펙트럼을 나타낸다.
도 2(a)는 레늄 셀레나이드와 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드의 TEM 이미지를 나타낸다. 도 2(b)는 Fe-ReSe2, Co-ReSe2, Cu-ReSe2,의 HAADF-STEM 이미지 및 EDX 원소 매핑/스펙트럼을 나타낸다. 도 2(c)는 레늄 셀레나이드와 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드의 SEM EDX 원소 스펙트럼을 나타낸다.
도 3(a)는 레늄 셀라나이드의 atomic-resolution HAADF-STEM 이미지를 나타낸다. 도 3(b), 3(c), 3(d), 3(e) 및 3(f)는 각각 Mn, Fe, Co, Ni, Cu-도핑된 레늄 셀레나이드의 atomic-resolution HAADF-STEM 이미지 및 전자 에너지 손실 분광법(Electron energy loss spectroscopy, EELS)을 나타낸다.
도 4는 레늄 셀레나이드와 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드의 X-ray 회절 (X-ray diffractometer, XRD) 패턴을 나타낸다.
도 5(a), 도 5(b) 및 도 5(d)는 레늄 셀레나이드와 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드2의 각각 Re 4f, Se 3d 및 금속 (Mn, Fe, Co, Ni, Cu) 2p에 대한 x-선 광전자 분광법(x-ray photoelectron spectroscopy, XPS)의 Fine-scan 결과를 나타낸다. 도 5(c)는 레늄 셀레나이드와 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드의 Valence band spectrum이다. 도 5(e)는 레늄 셀레나이드와 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드의 XANES 데이터이다. 도 5(f)는 레늄 셀레나이드와 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드의 EXAFS 데이터이다. 도 5(g)는 Co, Ni, Cu 도핑된 레늄 셀레나이드의 Co K-edge, Ni K-edge, Cu K-edge의 EXAFS 데이터이다.
도 6은 레늄 셀레나이드와 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드의 Raman 데이터이다.
도 7(a)는 H2-포화 0.5 M H2SO4 (pH 0)에서 HER에 대한 촉매로서 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 (Mn-ReSe2, Fe-ReSe2, Co-ReSe2, Ni-ReSe2 및 Cu-ReSe2)에 대한 LSV 곡선 (스캔 속도 : 2mVs-1)을 나타낸다. 도 7(b)는 Tafel 방정식 η=blog(J/J0)를 사용하여 활성화-제어 영역에 해당하는 낮은 전위에서 LSV 곡선으로부터 유도한 Tafel 플롯을 나타내고, 여기서 η는 과전압, b는 Tafel 기울기 (mV dec-1), J는 측정된 전류 밀도, 및 J0는 교환 전류 밀도를 나타낸다. 도 7(c) 및 도 7(d)는 H2-포화 0.5 M KOF (pH 14)에서 HER에 대한 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 (Mn-ReSe2, Fe-ReSe2, Co-ReSe2, Ni-ReSe2 및 Cu-ReSe2)의 촉매 성능으로서 각각 LSV 곡선 및 Tafel 플롯을 나타낸다. 도 7(e)는 ηJ=10 (왼쪽 축) 및 Tafel 기울기 (오른쪽 축)을 나타낸다. 도 7(f)는 125 mV에서 TOF를 나타낸다. 도 7(g)는 0.5 M H2SO4 및 1 M KOH에서 1차 및 2000차 사이클에 대한 Ni-ReSe2의 LSV 곡선 및 12 시간 동안 ηJ=10에서 CA을 나타낸다. 도 7(h)는 0.5 M H2SO4 및 1 M KOH에서 Ni-ReSe2의 ηJ=10을 종래 공지된 촉매와 비교한 데이터를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 레늄 셀레나이드와 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드의 전기화학적 임피던스 분광법 (electrochemical impedance spectroscopy, EIS) 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 레늄 셀레나이드와 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드의 순환전압전류 Cyclic voltammetry (CV) 커브 분석 결과를 나타낸 것이다. 0.15 V 에서의 전류밀도를 스캔속도에 따라 플롯하여 기울기로부터 이중층 전기용량 (double-layer capacitance, Cdl) 값을 나타낸다.
Figure 1(a) shows TM using solvothermal synthesis using NH 4 ReO 4 , (PhCH 2 ) 2 Se 2 , TM acetylacetonate (TM (acac)2 or 3), and oleylamine (OAm) as a reagent. -A schematic diagram of the method for synthesizing doped ReSe 2 is shown. Figure 1(b) shows ReSe 2 HRTEM image is shown. Figure 1(c) shows the lattice-resolved TEM and corresponding fast Fourier transform (FFT) image for the basal plane. Figure 1(d) shows HAADF-STEM images and EDX elemental mapping/spectra of Re (M shell), Mn or Ni (K shell) and Se (L shell).
Figure 2(a) shows a TEM image of rhenium selenide and transition metal-doped rhenium selenide. Figure 2(b) shows HAADF-STEM images and EDX elemental mapping/spectra of Fe-ReSe 2, Co-ReSe 2, and Cu-ReSe 2 . Figure 2(c) shows rhenium selenide and transition metal doped rhenium selenide. SEM EDX elemental spectrum is shown.
Figure 3(a) shows the representation of rhenium selanide. Represents an atomic-resolution HAADF-STEM image. Figures 3(b), 3(c), 3(d), 3(e), and 3(f) are graphs of Mn, Fe, Co, Ni, and Cu-doped rhenium selenide, respectively. Shows atomic-resolution HAADF-STEM images and electron energy loss spectroscopy (EELS).
Figure 4 shows an X-ray diffraction (XRD) pattern of rhenium selenide and transition metal-doped rhenium selenide.
Figures 5(a), 5(b), and 5(d) show Re 4f, Se 3d, and metal (Mn, Fe, Co, Ni, Cu) of rhenium selenide and transition metal-doped rhenium selenide 2, respectively. ) Shows the Fine-scan results of x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) for 2p. Figure 5(c) is the valence band spectrum of rhenium selenide and transition metal doped rhenium selenide. Figure 5(e) is XANES data of rhenium selenide and transition metal doped rhenium selenide. Figure 5(f) is EXAFS data of rhenium selenide and transition metal doped rhenium selenide. Figure 5(g) is EXAFS data of Co K-edge, Ni K-edge, and Cu K-edge of Co, Ni, and Cu doped rhenium selenide.
Figure 6 shows Raman data of rhenium selenide and transition metal doped rhenium selenide.
Figure 7(a) shows transition metal-doped rhenium selenide (Mn-ReSe 2 , Fe-ReSe 2 , Co-ReSe 2 , Ni) as a catalyst for HER in H 2 -saturated 0.5 MH 2 SO 4 (pH 0). LSV curves (scan rate: 2 mVs -1 ) for -ReSe 2 and Cu-ReSe 2 ) are shown. Figure 7(b) shows a Tafel plot derived from the LSV curve at low potentials corresponding to the activation-control region using the Tafel equation η=blog(J/J 0 ), where η is the overpotential and b is the Tafel slope ( mV dec -1 ), J represents the measured current density, and J 0 represents the exchange current density. Figures 7(c) and 7(d) show transition metal doped rhenium selenide (Mn-ReSe 2 , Fe-ReSe 2 , Co-ReSe 2 ) for HER in H 2 -saturated 0.5 M KOF (pH 14). , Ni-ReSe 2 and Cu-ReSe 2 ), showing LSV curves and Tafel plots, respectively. Figure 7(e) shows η J=10 (left axis) and Tafel slope (right axis). Figure 7(f) shows TOF at 125 mV. Figure 7(g) shows the LSV curves of Ni-ReSe 2 for the 1st and 2000th cycles in 0.5 MH 2 SO 4 and 1 M KOH and the CA at η J=10 for 12 hours. Figure 7(h) shows data comparing η J=10 of Ni-ReSe 2 with a conventionally known catalyst in 0.5 MH 2 SO 4 and 1 M KOH.
Figure 8 shows the results of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analysis of rhenium selenide and transition metal-doped rhenium selenide according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 shows the results of Cyclic voltammetry (CV) curve analysis of rhenium selenide and transition metal-doped rhenium selenide according to an embodiment of the present invention. The current density at 0.15 V is plotted according to the scan speed, and the double-layer capacitance (Cdl) value is expressed from the slope.

이하, 실시 예를 통해서 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 하지만, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, these are only for explaining the present invention in more detail and the scope of the present invention is not limited thereto.

<실시예> <Example>

실시예 1. 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 (TM-ReSeExample 1. Transition metal doped rhenium selenide (TM-ReSe 22 ) 나노시트의 제조) Preparation of nanosheets

도 1(a)에 도시된 방법에 따라 용매열 합성법을 이용하여 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 (TM-ReSe2 상기 TM은 Mn, Fe, Co, Ni 및 Cu) 나노시트를 제조하였다. 5 개의 TM 도핑된 ReSe2 샘플 (Mn-ReSe2, Fe-ReSe2, Co-ReSe2, Ni-ReSe2 및 Cu-ReSe2)의 도핑 농도는 5% ([TM]/[Re]=0.05)로 조절하였다. Transition metal-doped rhenium selenide (TM-ReSe 2 where TM is Mn, Fe, Co, Ni, and Cu) nanosheets were prepared using solvothermal synthesis according to the method shown in FIG. 1(a). The doping concentration of five TM-doped ReSe 2 samples (Mn-ReSe 2 , Fe-ReSe 2 , Co-ReSe 2 , Ni-ReSe 2 and Cu-ReSe 2 ) was 5% ([TM]/[Re]=0.05 ) was adjusted.

<실험예><Experimental example>

실험예 1. 본 발명에 따른 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드의 형태, 결정구조 및 전자구조 확인Experimental Example 1. Confirmation of the shape, crystal structure, and electronic structure of rhenium selenide doped with a transition metal according to the present invention.

1-1. HRTEM 이미지 분석 1-1. HRTEM image analysis

상기 실시예 1에서 제조된 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 (Mn-ReSe2, Fe-ReSe2, Co-ReSe2, Ni-ReSe2 및 Cu-ReSe2) 나노시트의 HRTEM (high-resolution transmission electron microscope) 이미지 분석을 수행하였다. 그 결과, 레늄 셀레나이드 (ReSe2) 나노시트의 두께는 평균 2nm이며, 층간 거리 (d001)는 6.5 Å으로서 1T″ 상 ReSe2의 값 (6.3899 Å)에 가까운 것으로 확인되었다 (도 1(b)). TEM 이미지를 통해 레늄 셀레나이드 (ReSe2) 및 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 (Mn-ReSe2, Fe-ReSe2, Co-ReSe2, Ni-ReSe2 및 Cu-ReSe2) 나노시트의 평균적인 크기는 대략 148 nm의 꽃 형태로 모두 비슷함을 확인하였다 (도 2(a)).HRTEM (high-resolution transmission) of the transition metal-doped rhenium selenide (Mn-ReSe 2 , Fe-ReSe 2 , Co-ReSe 2 , Ni-ReSe 2 and Cu-ReSe 2 ) nanosheets prepared in Example 1 electron microscope) image analysis was performed. As a result, the thickness of the rhenium selenide (ReSe 2 ) nanosheet was 2 nm on average, and the interlayer distance (d 001 ) was 6.5 Å, which was confirmed to be close to the value of 1T″ phase ReSe 2 (6.3899 Å) (Figure 1(b) )). Average of rhenium selenide (ReSe 2 ) and transition metal-doped rhenium selenide (Mn-ReSe 2 , Fe-ReSe 2 , Co-ReSe 2 , Ni-ReSe 2 and Cu-ReSe 2 ) nanosheets through TEM images It was confirmed that the overall size was similar in the form of a flower of approximately 148 nm (Figure 2(a)).

1-2. 기저면에 대한 격자 분해능 TEM 및 FFT 이미지 분석1-2. Grid-resolution TEM and FFT image analysis of the basal plane

상기 실시예 1에서 제조된 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 (Mn-ReSe2, Fe-ReSe2, Co-ReSe2, Ni-ReSe2 및 Cu-ReSe2) 나노시트의 기저면에 대한 격자 분해능 TEM 및 FFT (fast-Fourier transformed) 이미지 분석을 수행하였다. 그 결과, b-빔이 기저면에 대하여 수직으로 투사되기 때문에, FFT 이미지는 영역 축이 대략 [001]인 (200), (020) 및 (220) 반사에 의해 형성된 준 육각형 패턴을 나타내었다. 실제, 각도 γ (a 및 b 축 사이)는 118.94 °로서, 이는 육각형 단위 셀의 120 ° 값에 가깝웠으며, 인접한 (200)면 사이의 거리 (d200)는 2.9 Å으로, 이는 기준 값 (2.8881 Å)에 가까운 것으로 확인되었다 (도 1(c)). Lattice resolution TEM of the basal surface of the transition metal-doped rhenium selenide (Mn-ReSe 2 , Fe-ReSe 2 , Co-ReSe 2 , Ni-ReSe 2 , and Cu-ReSe 2 ) nanosheet prepared in Example 1 And FFT (fast-Fourier transformed) image analysis was performed. As a result, because the b-beam was projected perpendicular to the basal plane, the FFT image showed a quasi-hexagonal pattern formed by (200), (020), and (220) reflections with the area axis approximately [001]. In fact, the angle γ (between a and b axes) was 118.94°, which was close to the 120° value of the hexagonal unit cell, and the distance ( d200 ) between adjacent (200) planes was 2.9 Å, which was within the reference value ( It was confirmed to be close to 2.8881 Å) (Figure 1(c)).

1-3. HAADF-STEM 및 EDX 이미지 분석1-3. HAADF-STEM and EDX image analysis

상기 실시예 1에서 제조된 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 (Mn-ReSe2, Fe-ReSe2, Co-ReSe2, Ni-ReSe2 및 Cu-ReSe2) 나노시트의 HAADF-STEM (high-angle annular dark-field imaging- scanning transmission electron microscope) 이미지 분석 및 EDX (energy-dispersive X-ray spectroscopy) 원소 맵핑 및 스펙트럼을 측정하였다. 그 결과, 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트에 전이금속 Mn, Fe, Co, Cu, Ni 원소, 레늄(Re) 원소, 셀레늄 (Se) 원소가 균일하게 분포되어 있음이 확인되었다 (도 1(d), 도 2(b)). SEM EDX 원소 스펙트럼을 통해 동일하게 대략 5%의 전이금속이 존재함을 확인하였다 (도 2(c)). HAADF - STEM ( high- Angle annular dark-field imaging-scanning transmission electron microscope) image analysis and EDX (energy-dispersive X-ray spectroscopy) elemental mapping and spectra were measured. As a result, it was confirmed that the transition metal elements Mn, Fe, Co, Cu, Ni, rhenium (Re), and selenium (Se) were uniformly distributed in the transition metal-doped rhenium selenide nanosheet (Figure 1 (d), Figure 2(b)). The SEM EDX elemental spectrum confirmed the presence of approximately 5% of transition metal (Figure 2(c)).

도 3은 레늄 셀레나이드의 기저면의 원자 수준의 HAADF-STEM 이미지이다. b축을 따라 연결된 다이아몬드 모양의 Re4 클러스터의 1D 사슬(빨간색으로 표시된 선 참조)이 명확히 관찰되었다. 이 이미지에서는 더 가벼운 Se 원자(Z = 34)가 구분이 어렵다. STEM 이미지의 표시된 영역에 대한 등고선도(contour plot)에서 균일한 빨간색은 Re 원자를 나타낸다. 대조적으로 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드는 각각 TM 치환(substitution) 및 흡착원자(adatom)에 대해 Re 위치의 세기가 더 약하거나 더 강했다. 도 3의 (b)와 (c)는 각각 Mn-ReSe2와 Fe-ReSe2의 HAADF-STEM 이미지다. Re의 세기가 약한 곳은 가벼운 Mn과 Fe 원자(각각 Z = 25와 26)가 무거운 Re 원자(Z = 75)대신 치환된 경우이다. STEM 이미지의 표시된 영역과 점선을 따른 세기 프로파일에 대한 데이터에서는 세기가 약한 Re 위치가 TM 원자가 치환된 것이다. Re 위치의 세기가 더 밝게 보이는 것은 해당 위치에 원자가 올라가 있는 흡착원자 때문이다. EELS 데이터로 Mn과 Fe의 원자가 도핑 사이트에 단일 원자로 존재함을 확인하였다. 즉, 1.0Å의 프로브 사이즈로 스펙트럼을 얻었으며, Mn 또는 Fe의 L2,3-ionization edge를 측정하였을 때, 도핑된 위치에서 원자로 존재하며 바로 옆 원자에서는 존재하지 않음을 확인하였다. Mn-ReSe2와 Fe-ReSe2와 달리, Co-ReSe2와 Ni-ReSe2는 흡착원자로 존재함을 확인하였다. 등고선도(contour plot)에서 강한 인텐시티를 나타내는 부분이 Re 원자 위치에 다른 흡착원자가 존재하기 때문이다. EELS 데이터로 Co와 Ni의 경우에도 단일 원자로 존재함을 확인하였다. Cu-ReSe2의 경우, 2-4개 정도의 Cu원자가 클러스터처럼 뭉쳐있으며, 흡착해서 붙어 있음을 확인하였다. 다른 금속보다 강한 세기를 보이는 것은 커퍼가 두 개 이상 뭉쳐있기 때문이고, EELS 데이터에서도 다른 금속들 보다 뭉쳐있음을 확인하였다. Figure 3 is an atomic-level HAADF-STEM image of the basal plane of rhenium selenide. 1D chains of diamond-shaped Re 4 clusters connected along the b axis (see red lines) were clearly observed. The lighter Se atoms (Z = 34) are difficult to distinguish in this image. The uniform red color in the contour plot for the marked area of the STEM image represents Re atoms. In contrast, transition metal-doped rhenium selenide had weaker or stronger Re position strengths for TM substitution and adsorption atoms, respectively. Figures 3 (b) and (c) are HAADF-STEM images of Mn-ReSe 2 and Fe-ReSe 2 , respectively. Where the intensity of Re is weak, light Mn and Fe atoms (Z = 25 and 26, respectively) are substituted for heavy Re atoms (Z = 75). In the data for the indicated area of the STEM image and the intensity profile along the dotted line, the Re position with weak intensity is a TM atom substituted. The reason that the intensity of the Re position appears brighter is because of the adsorbed atom at that position. EELS data confirmed that Mn and Fe atoms exist as single atoms in the doping site. That is, a spectrum was obtained with a probe size of 1.0 Å, and when the L 2,3 -ionization edge of Mn or Fe was measured, it was confirmed that it exists as an atom at the doped position and does not exist at the atom right next to it. Unlike Mn-ReSe 2 and Fe-ReSe 2 , Co-ReSe 2 and Ni-ReSe 2 were confirmed to exist as adsorption atoms. The part showing strong intensity in the contour plot is because another adsorbed atom exists at the position of the Re atom. EELS data confirmed that Co and Ni also exist as single atoms. In the case of Cu-ReSe 2 , it was confirmed that about 2-4 Cu atoms were gathered together like a cluster and were adsorbed and attached. The reason it shows stronger intensity than other metals is because two or more cuppers are clustered together, and EELS data also confirmed that it is clustered more than other metals.

1-4. XRD를 통한 결정성 확인 1-4. Confirmation of crystallinity through XRD

도 4는 상기 실시예 1에서 제조된 레늄 셀레나이드(ReSe2) 및 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 (Mn-ReSe2, Fe-ReSe2, Co-ReSe2, Ni-ReSe2 및 Cu-ReSe2) 나노시트의 X-ray 회절 분석(X-ray diffractometer, XRD) 결과를 나타낸다. 레늄 셀레나이드와 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드는 1T″ 상의 ReSe2 (JCPDS 번호 74-0611; a = 6.716 Å, b = 6.728 Å, c = 6.728 Å, 및 υ = 104.90°) 으로 구성되는 것으로 확인되었다.Figure 4 shows rhenium selenide (ReSe 2 ) and transition metal-doped rhenium selenide (Mn-ReSe 2 , Fe-ReSe 2 , Co-ReSe 2 , Ni-ReSe 2 and Cu-ReSe) prepared in Example 1. 2 ) Shows the X-ray diffraction analysis (XRD) results of the nanosheet. Rhenium selenide and transition metal doped rhenium selenide are composed of ReSe 2 (JCPDS No. 74-0611; a = 6.716 Å, b = 6.728 Å, c = 6.728 Å, and υ = 104.90°) in a 1T″ phase. Confirmed.

1-5. XPS, XANES, EXAFS를 통한 전자 구조 분석1-5. Electronic structure analysis via XPS, XANES, EXAFS

상기 실시예 1에서 제조된 레늄 셀레나이드(ReSe2) 및 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 (Mn-ReSe2, Fe-ReSe2, Co-ReSe2, Ni-ReSe2 및 Cu-ReSe2) 나노시트의 대한 촉매 표면의 정성 및 정량적 분석을 위해 Fine-scan XPS (Fine-scan X-ray photoelectron spectroscopy)을 실시하여 그 결과를 도 5(a), 도 5(b) 및 도 5(d)에 나타내었다. Rhenium selenide (ReSe 2 ) and transition metal-doped rhenium selenide (Mn-ReSe 2 , Fe-ReSe 2 , Co-ReSe 2 , Ni-ReSe 2 and Cu-ReSe 2 ) nanostructures prepared in Example 1 For qualitative and quantitative analysis of the catalyst surface of the sheet, Fine-scan XPS (Fine-scan indicated.

도 5(a), 도 5(b) 및 도 5(d)에서 보는 바와 같이 레늄 셀레나이드(ReSe2)의 Re4f7/2는 금속 Re의 값인 40.3 eV보다 높은 바인딩 에너지인 41.7 eV에서 피크가 나타난다. 전이금속이 도핑되면 Re 4f의 피크는 적색편이 된다. Se 3d의 경우, Re 4f와 마찬가지로 전이금속이 도핑되면 적색편이 된다. valence band maximum (VBM) 데이터는 레늄 셀레나이드(ReSe2)는 0.65 eV이지만, Mn과 Fe의 경우에 0.50 eV이다. Co, Ni, Cu의 경우 0.36 eV까지 값이 작아진다. 이는 Re 4f와 Se 3d의 데이터와 유사하다. 전이금속의 2p 데이터를 통해 TM-Se의 결합이지만 거의 금속과 유사함을 확인하였고 Cu의 경우에는 다른 금속보다는 산화된 상태임을 확인하였다. 결합에너지의 적색편이는 가장 가까운 페르미 레벨 (Fermi level, Ef)에서 전이금속의 도핑 상태가 추가돼 전도도가 높아졌기 때문일 수 있다. Mn에서 Cu로 이동할수록, ReSe2의 전자 구조는 d전자의 증가로 인해 더 금속성이 됨을 확인하였다. As shown in Figures 5(a), 5(b), and 5(d), Re4f 7/2 of rhenium selenide (ReSe 2 ) peaks at 41.7 eV, which is a higher binding energy than 40.3 eV, which is the value of metal Re. appear. When a transition metal is doped, the peak of Re 4f shifts to red. In the case of Se 3d, like Re 4f, it becomes red-shifted when doped with a transition metal. The valence band maximum (VBM) data is 0.65 eV for rhenium selenide (ReSe 2 ), but 0.50 eV for Mn and Fe. In the case of Co, Ni, and Cu, the value decreases to 0.36 eV. This is similar to the data of Re 4f and Se 3d. Through the 2p data of the transition metal, it was confirmed that although it was a TM-Se bond, it was almost similar to a metal, and in the case of Cu, it was confirmed that it was in an oxidized state rather than other metals. The red shift of the binding energy may be due to increased conductivity due to the addition of a transition metal doping state at the nearest Fermi level (E f ). It was confirmed that as it moves from Mn to Cu, the electronic structure of ReSe 2 becomes more metallic due to the increase in d electrons.

또한, X-선 흡수 분광분석법(X-ray absorption near edge structure, XANES)분석법 및 푸리에 변환된 확장 X선 흡수 미세 구조 (Fourier-transform extended X-ray absorption fine structure, FT EXAFS)를 분석하여 그 결과를 도 5(e)에 나타내었다. 도 5(e)는 Re L3-edge의 XANES 데이터로서, 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드의 세기는 레늄 셀레나이드의 세기에 비해 낮은데, 이는 전이금속 도핑으로 인한 전자 밀도 증가로 설명될 수 있다. 전이금속이 Mn에서 Cu로 이동할수록 강도 감소는 더 커지며, 이는 XPS 피크의 적색편이와 밀접한 관련이 있다.In addition, the results were obtained by analyzing X-ray absorption near edge structure (XANES) analysis and Fourier-transform extended X-ray absorption fine structure (FT EXAFS). is shown in Figure 5(e). Figure 5(e) shows the . As the transition metal moves from Mn to Cu, the intensity decrease becomes larger, and this is closely related to the red shift of the XPS peak.

또한, X-선 흡수 분광분석법(X-ray absorption near edge structure, XANES)분석법 및 푸리에 변환된 확장 X선 흡수 미세 구조 (Fourier-transform extended X-ray absorption fine structure, FT EXAFS)를 분석하여 그 결과를 도 5(f)에 나타내었다. EXAFS 데이터를 통해 ReSe2의 경우, Re-Se 결합 중 가장 짧은 결합길이가 2.40 Å, Re-Re 결합 중 가장 짧은 결합길이는 2.84-2.85 Å 이다. 이로부터 1T″ 상의 ReSe2임을 확인할 수 있다. 전이금속의 K-edge의 XANES 데이터는 Co-Se (2.38 Å)와 Ni-Se (2.41 Å)로, Co-Co와 Ni-Ni의 결합이 없으므로 단일원자임을 확인하였다. Cu의 경우, Cu-Se와 Cu-O의 결합이 관찰되었다.In addition, the results were obtained by analyzing X-ray absorption near edge structure (XANES) analysis and Fourier-transform extended X-ray absorption fine structure (FT EXAFS). is shown in Figure 5(f). In the case of ReSe 2 , through EXAFS data, the shortest bond length among Re-Se bonds is 2.40 Å, and the shortest bond length among Re-Re bonds is 2.84-2.85 Å. From this, it can be confirmed that it is ReSe 2 on 1T″. The XANES data of the K-edge of the transition metal was Co-Se (2.38 Å) and Ni-Se (2.41 Å), and since there was no bond between Co-Co and Ni-Ni, it was confirmed that they were single atoms. In the case of Cu, Cu-Se and Cu-O bonds were observed.

1-6. Raman 분석 1-6. Raman analysis

상기 실시예 1에서 제조된 레늄 셀레나이드(ReSe2) 및 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 (Mn-ReSe2, Fe-ReSe2, Co-ReSe2, Ni-ReSe2 및 Cu-ReSe2) 나노시트에 대하여 Raman 분석을 실시하여 그 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6에서 보는 바와 같이 1T″ 상 ReSe2에 해당하는 동일한 Raman 피크를 나타낸다. 많은 피크는 이전 연구와 일관되게 1T″ 상 ReSe2의 격자 진동의 복잡성에서 발생한다. 125 cm-1의 피크는 Eg-유사 진동 모드(평면 내 진동)이며, 160 및 174 cm-1의 피크는 Ag-유사 진동 모드(평면 외 진동)이다. Rhenium selenide (ReSe 2 ) and transition metal-doped rhenium selenide (Mn-ReSe 2 , Fe-ReSe 2 , Co-ReSe 2 , Ni-ReSe 2 and Cu-ReSe 2 ) nanostructures prepared in Example 1 Raman analysis was performed on the sheet, and the results are shown in Figure 6. As shown in FIG. 6, the same Raman peak corresponding to 1T″ phase ReSe 2 is shown. Many peaks arise from the complexity of the lattice vibrations of ReSe 2 in the 1T″ phase, consistent with previous studies. The peak at 125 cm -1 is the Eg-like vibration mode (in-plane vibration), and the peaks at 160 and 174 cm -1 are the Ag-like vibration mode (out-of-plane vibration).

실험예 2. 본 발명에 따른 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드의 전기화학적 특성 확인Experimental Example 2. Confirmation of electrochemical properties of rhenium selenide doped with transition metal according to the present invention

2-1. 전기화학 실험 방법2-1. Electrochemical experiment method

상기 실시예 1에서 제조된 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 (Mn-ReSe2, Fe-ReSe2, Co-ReSe2, Ni-ReSe2 및 Cu-ReSe2) 나노시트 시료 4 mg을 카본 블랙 (Vulcan XC-72) 1 mg과 혼합한 후, 5 중량% 나피온 (Nafion) 용액 20 ㎕와 이소프로필알코올 980 ㎕로 구성된 용액에 분산시켜 촉매 잉크를 제조하였다. 한편, 표준화된 20 중량%의 나노크기의 백금이 카본 블랙에 분산되어 있는 Pt/C 촉매물질(제조사: sigma-aldrich)을 구입하여 상기 전이금속이 포함된 레늄 셀레나이드 나노시트 대신에 사용하는 것을 제외하고, 위와 같은 방법으로 촉매 잉크를 제조하였다. 전기화학 실험은 작업 전극, 기준 전극, 상대 전극으로 구성되어 있는 3전극 셀로 진행하였다. 기준 전극으로는 Ag/AgCl (4M KCl, 제조사: Pine Co.)을, 상대 전극으로는 흑연 막대 (graphite rod, 직경 6 mm)를 사용하였다. 작업 전극으로는 회전 전극 (rotating disk electrode, RDE)인 유리 탄소 전극 (glassy carbon electrode, 면적: 0.1963 cm2)에 상기 촉매 잉크를 18 ㎕ 만큼 적하하고, 충분히 건조한 뒤 사용하였다. 4 mg of the transition metal-doped rhenium selenide (Mn-ReSe 2 , Fe-ReSe 2 , Co-ReSe 2 , Ni-ReSe 2 and Cu-ReSe 2 ) nanosheet sample prepared in Example 1 was mixed with carbon black ( Catalyst ink was prepared by mixing with 1 mg of Vulcan Meanwhile, a Pt/C catalyst material (manufacturer: Sigma-aldrich) containing a standardized 20% by weight nano-sized platinum dispersed in carbon black was purchased and used instead of rhenium selenide nanosheets containing the transition metal. Catalyst ink was prepared in the same manner as above, except that Electrochemical experiments were conducted with a three-electrode cell consisting of a working electrode, a reference electrode, and a counter electrode. Ag/AgCl (4M KCl, manufacturer: Pine Co.) was used as a reference electrode, and a graphite rod (diameter 6 mm) was used as a counter electrode. As a working electrode, 18 ㎕ of the catalyst ink was added dropwise to a glassy carbon electrode (area: 0.1963 cm 2 ), which is a rotating disk electrode (RDE), and was dried sufficiently before use.

수소발생반응(HER) 실험시에는 각각 고순도의 수소 가스로 퍼징해주며, 기체의 유량은 20 sccm (mL min-1) 이였다. 측정 시 사용한 전압은 가역수소전극 (reversible hydrogen electrode, RHE)를 기준으로 변환시켰다. During the hydrogen evolution reaction (HER) experiment, each was purged with high-purity hydrogen gas, and the gas flow rate was 20 sccm (mL min -1 ). The voltage used during measurement was converted based on a reversible hydrogen electrode (RHE).

수소이온농도지수(pH) 0 (0.5M H2SO4)에서의 가역수소전극(RHE) 변환 식은 아래 식을 따른다. E (vs. RHE) = E (vs. SCE) + ESCE(=0.278V) + 0.0592 pH=E(vs.SCE) + 0.278V The reversible hydrogen electrode (RHE) conversion formula at hydrogen ion concentration index (pH) 0 (0.5MH 2 SO 4 ) follows the formula below. E (vs. RHE) = E (vs. SCE) + E SCE (=0.278V) + 0.0592 pH=E(vs.SCE) + 0.278V

수소이온농도지수(pH) 14 (1M KOH)에서의 가역수소전극(RHE) 변환 식은 아래 식을 따른다. E (vs. RHE) =E(vs.Ag/AgCl) + 1.007V The reversible hydrogen electrode (RHE) conversion formula at a hydrogen ion concentration index (pH) of 14 (1M KOH) follows the formula below. E (vs. RHE) =E(vs.Ag/AgCl) + 1.007V

측정시에는 회전 전극(RDE)을 1600 RPM (분당 회전수; Revolutions per minute)의 속도 회전시켜주며, 수소발생반응(HER) 활성은 선형주사전위법(linear sweep voltammetry, LSV)을 통해 측정하였다.During measurement, the rotating electrode (RDE) was rotated at a speed of 1600 RPM (Revolutions per minute), and the hydrogen evolution reaction (HER) activity was measured through linear sweep voltammetry (LSV).

선형주사전위법(LSV) 측정할 때, 수소발생반응(HER)은 가역수소전극(RHE) 기준 0 V 부터 0.8 V까지 5 mV s-1의 스캔 속도로 측정하였다.When measuring using linear scanning potential (LSV), the hydrogen evolution reaction (HER) was measured at a scan rate of 5 mV s -1 from 0 V to 0.8 V based on the reversible hydrogen electrode (RHE).

2-2. 결과2-2. result

도 7(a)는 pH 0에서 측정된 LSV 곡선을 나타내며, 여기서 전위는 가역수소전극 (RHE)을 기준으로 하였다. 10mAcm-2J=10)의 전류 밀도를 얻는데 필요한 과전압의 경우, ReSe2, Mn-ReSe2, Fe-ReSe2, Co-ReSe2, Ni-ReSe2 및 Cu-ReSe2에서 각각 143, 132, 115, 104, 82, 및 126 mV인 것으로 확인되었다. Figure 7(a) shows the LSV curve measured at pH 0, where the potential was based on the reversible hydrogen electrode (RHE). For the overpotential required to obtain a current density of 10 mAcm -2J=10 ), 143 for ReSe 2 , Mn-ReSe 2 , Fe-ReSe 2 , Co-ReSe 2 , Ni-ReSe 2 and Cu-ReSe 2 respectively; They were found to be 132, 115, 104, 82, and 126 mV.

도 7(b)는 낮은 전위 영역에서 Tafel 플롯, η(V) vs. log [J(mAcm-2)]를 나타낸다. Tafel 기울기 (b)는 ReSe2, Mn-ReSe2, Fe-ReSe2, Co-ReSe2, Ni-ReSe2 및 Cu-ReSe2에서 각각 62, 62, 59, 56, 54, 58, 및 30 mV dec-1으로써, TM을 ReSe2에 도핑하는 경우 HER 촉매 활성이 증가되는 것으로 확인되었다. 특히, Ni-ReSe2의 경우 ηJ=10 및 b 값이 Pt/C에 가까움에 따라 상기 전이금속이 도핑된 이차원 전이금속 칼코겐 화합물 중에서 가장 촉매 활성이 우수한 것으로 확인되었다. Figure 7(b) shows the Tafel plot, η(V) vs. η(V) in the low potential region. It represents log [J(mAcm -2 )]. Tafel slope (b) is 62, 62, 59, 56, 54, 58, and 30 mV for ReSe 2 , Mn-ReSe 2 , Fe-ReSe 2 , Co-ReSe 2 , Ni-ReSe 2 , and Cu-ReSe 2 , respectively. As dec -1 , it was confirmed that HER catalytic activity increased when TM was doped into ReSe 2 . In particular, Ni-ReSe 2 was confirmed to have the best catalytic activity among the two-dimensional transition metal chalcogenides doped with the transition metal as η J = 10 and b value were close to Pt/C.

도 7(c)는 pH 14에서, LSV 곡선이 ηJ=10의 경우 ReSe2, Mn-ReSe2, Fe-ReSe2, Co-ReSe2, Ni-ReSe2 및 Cu-ReSe2에서 256, 197, 221, 138, 109, 및 179 mV임을 나타낸다. Tafel 플롯은 ReSe2, Mn-ReSe2, Fe-ReSe2, Co-ReSe2, Ni-ReSe2 및 Cu-ReSe2에서 각각 146, 116, 133, 99, 81 및 115 mV dec-1의 해당 b 값을 나타내었다 (도 7(d)). 특히, Ni-ReSe2의 b 값이 Pt/C (35mV dec-1)의 값에 가장 가까운 것으로 확인되었다. Figure 7(c) shows that at pH 14, the LSV curves are 256, 197 for ReSe 2 , Mn-ReSe 2 , Fe-ReSe 2 , Co-ReSe 2 , Ni-ReSe 2 and Cu-ReSe 2 for η J= 10. , 221, 138, 109, and 179 mV. Tafel plots show corresponding b of 146, 116, 133, 99, 81 and 115 mV dec -1 for ReSe 2 , Mn-ReSe 2 , Fe-ReSe 2 , Co-ReSe 2 , Ni-ReSe 2 and Cu-ReSe 2 , respectively. The values are shown (Figure 7(d)) . In particular, the b value of Ni-ReSe 2 was confirmed to be closest to that of Pt/C (35mV dec -1 ).

도 7(e)는 ηJ=10 및 b 값을 나타내는 것으로, ReSe2에 Ni을 도핑하는 경우 pH 0 내지 14에서 모두 HER의 성능을 최대로 향상시키는 것으로 나타났다. 전반적으로 pH 0에서 HER 촉매 성능에 대한 TM 도핑의 긍정적 인 효과는 Ni> Co> Fe> Cu> Mn 순서를 따르며 pH 14에서는 Ni> Co> Cu> Mn> Fe인 것으로 확인되었다. Figure 7(e) shows η J=10 and b values, and it was shown that doping ReSe 2 with Ni maximizes the performance of HER at pH 0 to 14. Overall, the positive effect of TM doping on HER catalytic performance at pH 0 was found to follow the order Ni>Co>Fe>Cu>Mn and at pH 14 it was Ni>Co>Cu>Mn>Fe.

도 7(f)는 125 mV에서 각 촉매에 대해 LSV 곡선을 이용하여 계산된 TOF 값을 플롯팅한 것으로, 활성 표면적은 pH 7에서 -0.2 내지 0.6V 범위의 CV 곡선을 기반으로 정전 용량을 측정하여 추정하였다. Ni-ReSe2의 경우 pH 1 내지 14에서의 TOF(turn of frequency)의 값은 각각 2.5 및 0.91 s-1로 추정되었다. Figure 7(f) plots the TOF values calculated using the LSV curve for each catalyst at 125 mV, and the active surface area is measured based on the CV curve, which ranges from -0.2 to 0.6 V at pH 7. It was estimated. In the case of Ni-ReSe 2 , the values of TOF (turn of frequency) at pH 1 to 14 were estimated to be 2.5 and 0.91 s -1 , respectively.

도 7(g)는 Ni-ReSe2의 LSV 곡선이 2000 사이클 (80 h) 이후에도 pH 0 내지 14에서 거의 변화가 없음을 나타낸다. Figure 7(g) shows that the LSV curve of Ni-ReSe 2 shows little change at pH 0 to 14 even after 2000 cycles (80 h).

도 7(h)는 ηJ=10에서 Ni-ReSe2의 촉매 성능을 종래 공지된 성능과 비교한 것으로, 가장 우수한 HER 촉매 효과를 나타내는 것으로 확인되었다. Figure 7(h) compares the catalytic performance of Ni-ReSe 2 at η J = 10 with the conventionally known performance, and it was confirmed to exhibit the best HER catalytic effect.

도 8(a) 및 8(b)는 전이금속이 도핑된 ReSe2의 전기화학적 임피던스 분광법 (electrochemical impedance spectroscopy, EIS) 데이터이다. Nyquist 플롯을 하였으며 -0.15 V를 교류로 100 kHz에서 0.1 Hz를 감소시키면서 실수 저항과 허수 저항을 나타낸다. 그래프 안에 삽입된 전기회로로 커브를 피팅하면 전하전달저항 (charge transfer resistance, Rct)를 얻을 수 있다. 반구 형태의 커브가 x 축과 만나는 위치로부터 얻을 수 있으며 작을수록 우수한 촉매 활성이 나타난다. 전하전달저항은 pH 0에서 Ni< Co< Fe< Cu< Mn< ReSe2 순서를 따르며 pH 14에서는 Ni< Co< Cu <Mn <Fe <ReSe2인 것으로 확인되었다. Figures 8(a) and 8(b) are electrochemical impedance spectroscopy (EIS) data of transition metal-doped ReSe 2 . A Nyquist plot was made and the real and imaginary resistances were shown while decreasing 0.1 Hz from 100 kHz at -0.15 V as alternating current. By fitting a curve with an electric circuit inserted into the graph, charge transfer resistance (Rct) can be obtained. It can be obtained from the position where the hemispherical curve meets the x-axis, and the smaller it is, the better the catalytic activity. The charge transfer resistance was found to follow the order Ni<Co<Fe<Cu<Mn< ReSe2 at pH 0 and Ni<Co<Cu<Mn<Fe< ReSe2 at pH 14.

도 9은 0.1-0.2 V 영역의 순환전압전류 Cyclic voltammetry (CV) 커브 데이터이다. 스캔 속도를 20 mV/s 부터 100 mV/s로 증가시킴에 따른 CV 커브를 측정하였다. 0.15 V 에서의 전류밀도를 스캔속도에 따라 플롯하여 기울기로부터 이중층 전기용량 (double-layer capacitance, Cdl) 를 얻을 수 있다. pH 0에서 Ni> Co> Fe> Mn> Cu <ReSe2 순서를 따르며 pH 14에서는 Ni> Co> Cu> Mn> Fe> ReSe2인 것으로 확인되었다. 이는 Ni-ReSe2가 표면적이 가장 극대화 됨을 예상 할 수 있다. Figure 9 shows cyclic voltammetry (CV) curve data in the 0.1-0.2 V region. The CV curve was measured as the scan speed increased from 20 mV/s to 100 mV/s. The double-layer capacitance (Cdl) can be obtained from the slope by plotting the current density at 0.15 V according to the scan speed. It was confirmed that at pH 0 it follows the order Ni>Co>Fe>Mn>Cu< ReSe2 , and at pH 14 it follows the order Ni>Co>Cu>Mn>Fe> ReSe2 . This can be expected that Ni-ReSe 2 has the most maximized surface area.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.As the specific parts of the present invention have been described in detail above, it is clear to those skilled in the art that these specific techniques are merely preferred embodiments and do not limit the scope of the present invention. something to do. Accordingly, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (5)

수소발생반응 활성을 갖는 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트로서,
상기 전이금속은 니켈(Ni)이고,
상기 전이금속의 도핑 농도는 레늄을 기준으로 5%이고,
상기 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트의 HER 성능 (10 mAcm-2) 및 타펠 기울기는 각각 100 mV 이하 및 70 mV/dec 이하인 것을 특징으로 하는 것인, 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트.
A rhenium selenide nanosheet doped with a transition metal having hydrogen evolution reaction activity,
The transition metal is nickel (Ni),
The doping concentration of the transition metal is 5% based on rhenium,
The HER performance (10 mAcm -2 ) and Tafel slope of the transition metal-doped rhenium selenide nanosheet are respectively 100 mV or less and 70 mV/dec or less. Sheet.
삭제delete 용매열 합성 (solvothermal synthesis)을 이용한 우수한 수소발생반응 활성을 갖는 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트의 제조 방법으로, 상기 방법은:
(A) NH4ReO4, (PhCH2)2Se2, TM (Transition metal) 아세틸아세토네이트를 올레일아민 (C18H35NH2, OAm)에 첨가하여 교반하는 단계; 및
(B) 상기 교반된 용액을 용매열합성법 (solvothermal process)을 진행하여 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트를 제조하는 단계를 포함하고,
상기 전이금속은 니켈(Ni)이고,
상기 전이금속의 도핑 농도는 레늄을 기준으로 5%이고,
상기 전이금속이 도핑된 레늄 셀레나이드 나노시트의 HER 성능 (10 mAcm-2) 및 타펠 기울기는 각각 100 mV 이하 및 70 mV/dec 이하인 것을 특징으로 하는 것인, 방법.
A method for producing rhenium selenide nanosheets doped with a transition metal with excellent hydrogen evolution activity using solvothermal synthesis, the method comprising:
(A) adding NH 4 ReO 4 , (PhCH 2 ) 2 Se 2 , TM (Transition metal) acetylacetonate to oleylamine (C 18 H 35 NH 2 , OAm) and stirring; and
(B) subjecting the stirred solution to a solvothermal process to produce rhenium selenide nanosheets doped with a transition metal,
The transition metal is nickel (Ni),
The doping concentration of the transition metal is 5% based on rhenium,
The method is characterized in that the HER performance (10 mAcm -2 ) and Tafel slope of the transition metal-doped rhenium selenide nanosheet are 100 mV or less and 70 mV/dec or less, respectively.
삭제delete 삭제delete
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